CN104236469B - 一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法，可有效解决静力试验测量位移设备多，布设难，精度低的问题，技术方案是，一、安装相机；二、对相机进行定向，确定相机之间的相对位置及姿态关系；三、安装工装；四、坐标转换；五、进行静力试验；本发明方法是一种非接触的测量方式；其为三维测量技术，可以同时测量出被测点在三个坐标方向上的位移量；测量量程比大，理论量程是相机的整个视场，实际试验最大量程达6米；精度高，测量精度达1/10000；可以同时测量大批量的目标点；可以实现动态实时测量，连续帧速可以达到5帧/秒；设备布设方便，操作简单；是静力试验位移测量方法上的创新。

Description

一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法

技术领域

本发明涉及移量测量方法，特别是一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法。

背景技术

静力试验是用试验的方法研究飞机结构在静载荷作用下的静强度特性，即检验结构承受极限外载荷的能力，研究工程结构在静载荷作用下的强度、刚度和稳定性等静特性问题。在静力试验中，试验对象的位移是非常重要参数之一，目前多采用位移传感器或激光测距仪测量位移，这种方法有较多的不足：

1)测量精度较低。位移传感器的相对精度为1/1000，激光测距仪的精度大约为1mm；

2)需要较多的测量设备。每一个目标点需要至少一台位移传感器(或激光测距仪)，如果需要测定目标点的三维位移，则至少需要两台位移传感器(或激光测距仪)；

3)设备布设较困难。由于使用的位移传感器(或激光测距仪)较多，就造成了设备的布设较困难；

4)接触测量。如果采用位移传感器，则传感器一端需要布设在试验对象上，会对试验结果造成一定程度的影响。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法，可有效解决静力试验测量位移设备多，布设难，精度低的问题。

本发明解决的技术方案是：

一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法，包括以下步骤：

一、安装相机

在飞机上方通过支架安装相机，共采用8台相机，其中四台为一组，每组相机可以作为单个***独立使用，安装时，保证待试验的飞机结构的每个被测点至少在其中3台相机的视场中，而在测量过程中只要有两台相机可以拍摄到被测点就可以测得被测点的坐标，这样在一个相机被遮挡的情况下，仍能测到被测点的坐标，提高***测量的稳定性；所述的相机均经控制器与计算机相连；

二、对相机进行定向，确定相机之间的相对位置及姿态关系

一共采用了8台相机，其中每四台相机为一组进行定向，定向过程如下：

(1)确定一台相机为相机坐标系的零点相机，这台相机的投影中心为坐标系原点；

(2)通过坐标解算，对零点相机与其临近的相机进行定向，具体方法为，通过飞机结构上的已知的控制点，利用后方交会解算，即可得到零点相机和与其临近的相机的摄影中心S1、S2的位置及其与像片面p1、p2的朝向关系，即得，两相机的位置及姿态；

所述的控制点为飞机上在静力试验过程中始终保持不动的已知点，控制点至少有4个；

(3)根据已定向的相机与零点相机，用同样的方法，逐步的对其他相机进行定向；

(4)当所有相机都完成定向后，对所有相机进行光束法平差，得出每个相机最终的位置与姿态；

三、安装工装

将工装安装在飞机上，该安装位置在静力试验过程中始终保持不动，工装上有五个摄影标志，建立一个工装坐标系(X’,Y’,Z’)，这五个摄影标志在工装坐标系(X’,Y’,Z’)下的坐标已知；

四、坐标转换

照相测量得到的数据是在相机坐标系(U,V,W)下，最后的测量结果要转化到飞机坐标系下(X,Y,Z)；

所述的相机坐标系以相机投影中心为坐标原点，U轴、V轴分别平行于像平面中相互垂直的两条边，W轴与U轴、V轴垂直组成右手坐标系；

所述的飞机坐标系以机身上某不动点为坐标原点，X轴为飞机飞行方向，Y轴平行于飞机翼展方向，Z轴竖直向上组成右手坐标系；

其中，所述的工装坐标系(X’,Y’,Z’)与飞机坐标系(X,Y,Z)的关系已知，为了建立飞机坐标系(X,Y,Z)，需要通过所述的工装坐标系(X’,Y’,Z’)进行转换，工装上有五个摄影标志在工装坐标系下的坐标已知，通过照相测量得到工装上面五个摄影标志在相机坐标系下的坐标，然后进行公共点转换，求出相机坐标系到工装坐标系的转换关系，然后把相机的定向参数转换到工装坐标系下，由于工装坐标系与飞机坐标系关系已知，这样就把相机坐标系下的测量点统一到了飞机坐标系下。

具体公共点转换过程如下：

(1)相机坐标系与工装坐标系的关系可用下式表示：

其中(dx,dy,dz)分别表示(U,V,W)三个坐标轴方向的平移量，表示三个坐标轴的旋转量；式(1)中共六个未知数一个公共点可列出三个方程，式(1)为三个方程，则至少两个公共点即可完成公共点转换；工装上共有五个摄影标志，利用最小二乘原理求解出六个未知数；

(2)工装坐标系与飞机坐标系的转换关系如下式：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中(ΔX,ΔY,ΔZ)为已知量，分别表示(X',Y',Z')在三个轴方向上的平移量；

(3)结合式(1)与式(2)可以得到，从相机坐标系到飞机坐标系的转换公式如下：

五、进行静力试验

开始对待试验的飞机部位加载静荷载，同时通过计算机控制相机进行拍照，采集到的相片通过步骤四所述的方法进行坐标转换，得到测量点在飞机坐标系下的坐标，即得到测量部位的位移量。

与现有技术相比，本发明方法具有以下有益的技术效果：

1)是一种非接触的测量方式；

2)精度高，测量精度达1/10000；

3)其为三维测量技术，可以同时测量出被测点在三个坐标方向上的位移量；

4)测量量程比大，理论量程是相机的整个视场，实际试验最大量程达6米；

5)可以同时测量大批量的目标点；

6)可以实现动态实时测量，连续帧速可以达到5帧/秒。

附图说明

图1为本发明相机安装示意图。

图2为本发明多相机测量坐标解算原理图。

图3为本发明坐标系关系示意图。

图4为本发明工装结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

由图1-4给出，本发明一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法，包括以下步骤：

一、安装相机

在飞机上方通过支架安装相机，共采用8台相机，其中四台为一组，每组相机可以作为单个***独立使用，安装时，保证待试验的飞机结构的每个被测点至少在其中3台相机的视场中，而在测量过程中只要有两台相机可以拍摄到被测点就可以测得被测点的坐标，这样在一个相机被遮挡的情况下，仍能测到被测点的坐标，提高***测量的稳定性；所述的相机均经控制器与计算机相连(如图1所示，图中附图标记分别表示：相机2、控制器3、计算机4、待试验的飞机5；图中待试验的飞机结构为机翼5a)；

所述的控制器为市售产品(现有技术)，如郑州辰维科技股份有限公司生产和销售的型号为MPS\M-P4的控制器，能够将相机拍摄的相片实时传输给计算机；

二、对进行相机定向，确定相机之间的相对位置及姿态关系

一共采用了8台相机，其中每四台相机为一组进行定向，定向过程如下：

(1)确定一台相机为相机坐标系的零点相机，这台相机的投影中心为坐标系原点；

(2)通过坐标解算，对零点相机与其临近的相机进行定向，具体方法为，通过飞机结构上的已知的控制点，利用后方交会解算，即可得到零点相机和与其临近的相机的摄影中心S1、S2的位置及其与像片面p1、p2的朝向关系，即得，两相机的位置及姿态；

所述的控制点为飞机上在静力试验过程中始终保持不动的已知点，

控制点的布置要求：

a.控制点至少有4个，如图2所示，分别为a、b、c、d，数量以4至10个点为宜；

b.控制点应避免分布同一个圆柱面上。

c.控制点以均匀分布为宜；即控制点在像片上的投影点均匀分布。

该坐标解算方法与经纬仪类似，对于未知点e，可通过其在两像片上的像点位置确定其光束方向，进而依前方交会法解算出其物方坐标。

(3)根据已定向的相机与零点相机，用同样的方法，逐步的对其他相机进行定向；

(4)当所有相机都完成定向后，对所有相机进行光束法平差，得出每个相机最终的位置与姿态。

三、安装工装

将工装1安装在飞机上，该安装位置在静力试验过程中始终保持不动，工装上有五个摄影标志1a，建立一个工装坐标系(X’,Y’,Z’)，这五个摄影标志在工装坐标系(X’,Y’,Z’)下的坐标已知；

四、坐标转换

照相测量得到的数据是在相机坐标系(U,V,W)下，最后的测量结果要转化到飞机坐标系下(X,Y,Z)；

所述的相机坐标系以相机投影中心为坐标原点，U轴、V轴分别平行于像平面中相互垂直的两条边，W轴与U轴、V轴垂直组成右手坐标系；

所述的飞机坐标系以机身上某不动点为坐标原点，X轴为飞机飞行方向，Y轴平行于飞机翼展方向，Z轴竖直向上组成右手坐标系；

其中，所述的工装坐标系(X’,Y’,Z’)与飞机坐标系(X,Y,Z)的关系已知，为了建立飞机坐标系(X,Y,Z)，需要通过所述的工装坐标系(X’,Y’,Z’)进行转换，工装上有五个摄影标志在工装坐标系下的坐标已知，通过照相测量得到工装上面五个摄影标志在相机坐标系下的坐标，然后进行公共点转换，求出相机坐标系到工装坐标系的转换关系(3个平移量，3个旋转角)，然后把相机的定向参数转换到工装坐标系下，由于工装坐标系与飞机坐标系关系已知，这样就把相机坐标系下的测量点统一到了飞机坐标系下。

具体公共点转换过程如下：

(1)相机坐标系与工装坐标系的关系可用下式表示：

其中(dx,dy,dz)分别表示(U,V,W)三个坐标轴方向的平移量，表示三个坐标轴的旋转量；式(1)中共六个未知数一个公共点可列出三个方程，式(1)为三个方程，则至少两个公共点即可完成公共点转换；工装上共有五个摄影标志，利用最小二乘原理求解出六个未知数；

(2)工装坐标系与飞机坐标系的转换关系如下式：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中(ΔX,ΔY,ΔZ)为已知量，分别表示(X',Y',Z')在三个轴方向上的平移量；

(3)结合式(1)与式(2)可以得到，从相机坐标系到飞机坐标系的转换公式如下：

五、进行静力试验

开始对待试验的飞机部位加载静荷载，同时通过计算机控制相机进行拍照，采集到的相片通过步骤四所述的方法进行坐标转换，得到测量点在飞机坐标系下的坐标，即得到测量部位的位移量。

本发明方法经实际应用，均得到了相同或相近似的效果，具体实验如下：

实验采用德国AVT GE2040工业相机，分别进行了机翼静力试验和精度测试实验，分别验证本文方法的可行性与可靠性；

1)机翼静力试验

利用本发明方法对某系列型号飞机机翼进行静力试验。多相机照相测量***可以很方便的对目标点的三维坐标变化进行实时测量。

在试验现场，***实际测量了一组数据，同时位移传感器也测量出了对应的数据，两组数据对比如表1：

表1照相测量值与位移传感器测量值比较

上表中照相测量值比传感器测量值较小，这是因为传感器测量的是监测点的实际位移量，而摄影测量测量的是监测点实际位移量在竖直方向上的分量。

2)精度测试

为了能更好的验证测量精度，利用本文***对光栅尺进行测量，并与光栅尺测量结果进行对比分析。具体实验步骤如下：

a)在光栅尺移动装置上布设一个标志，当光栅尺移动时，标志也会跟着移动；标志的移动距离理论上和光栅尺的移动距离相等，通过照相测量***监测标志的位移即测量出光栅尺的位移；

b)光栅尺移到0位置，***测量一个坐标，作为位移测量***的零状态；

c)光栅尺按300mm的间隔移动，照相测量***在每个间隔测量标志的坐标，并和零状态的坐标值求距离，计算标志的移动长度；

d)对比照相测量得到的位移量和光栅尺标准的位移量的差值。

实验得到的数据如下表：

表2照相测量与光栅尺测量对比表

光栅尺的测量精度在3/10000,低于照相测量的精度，上述实验中对比数据的主要误差应该为光栅尺测量误差，按照3000mm的测量距离算，光栅尺的最大测量误差应该在0.9mm,而照相测量的精度在±0.1mm，结合两者的误差，理论上两种测量手段的对比结果最大不超过1mm，而实际中最大的测量误差在1.16mm，而且比较大的误差均分布在测量距离比较大的地方，基本符合实际的情况。此实验能够证明照相测量精度至少在3/10000左右。

结论

由上述情况可知，本发明方法是一种非接触的测量方式；其为三维测量技术，可以同时测量出被测点在三个坐标方向上的位移量；测量量程比大，理论量程是相机的整个视场，实际试验最大量程达6米；精度高，测量精度达1/10000；可以同时测量大批量的目标点；可以实现动态实时测量，连续帧速可以达到5帧/秒；设备布设方便，操作简单；是静力试验位移测量方法上的创新。

Claims (1)

1.一种利用照相对飞机静力试验中位移量进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、安装相机

在飞机上方通过支架安装相机，共采用8台相机，其中四台为一组，每组相机可以作为单个***独立使用，安装时，保证待试验的飞机结构的每个被测点至少在其中3台相机的视场中，而在测量过程中只要有两台相机可以拍摄到被测点就可以测得被测点的坐标，这样在一个相机被遮挡的情况下，仍能测到被测点的坐标，提高***测量的稳定性；所述的相机均经控制器与计算机相连；

二、对相机进行定向，确定相机之间的相对位置及姿态关系

一共采用了8台相机，其中每四台相机为一组进行定向，定向过程如下：

(1)确定一台相机为相机坐标系的零点相机，这台相机的投影中心为坐标系原点；

(2)通过坐标解算，对零点相机与其临近的相机进行定向，具体方法为，通过飞机结构上的已知的控制点，利用后方交会解算，即可得到零点相机和与其临近的相机的摄影中心S1、S2的位置及其与像片面p1、p2的朝向关系，即得，两相机的位置及姿态；

所述的控制点为飞机上在静力试验过程中始终保持不动的已知点，控制点至少有4个；

(3)根据已定向的相机与零点相机，用同样的方法，逐步的对其他相机进行定向；

(4)当所有相机都完成定向后，对所有相机进行光束法平差，得出每个相机最终的位置与姿态；

三、安装工装

将工装(1)安装在飞机上，该安装位置在静力试验过程中始终保持不动，工装上有五个摄影标志(1a)，建立一个工装坐标系(X’,Y’,Z’)，这五个摄影标志在工装坐标系(X’,Y’,Z’)下的坐标已知；

四、坐标转换

照相测量得到的数据是在相机坐标系(U,V,W)下，最后的测量结果要转化到飞机坐标系下(X,Y,Z)；

所述的相机坐标系以相机投影中心为坐标原点，U轴、V轴分别平行于像平面中相互垂直的两条边，W轴与U轴、V轴垂直组成右手坐标系；

所述的飞机坐标系以机身上某不动点为坐标原点，X轴为飞机飞行方向，Y轴平行于飞机翼展方向，Z轴竖直向上组成右手坐标系；

其中，所述的工装坐标系(X’,Y’,Z’)与飞机坐标系(X,Y,Z)的关系已知，为了建立飞机坐标系(X,Y,Z)，需要通过所述的工装坐标系(X’,Y’,Z’)进行转换，工装上有五个摄影标志在工装坐标系下的坐标已知，通过照相测量得到工装上面五个摄影标志在相机坐标系下的坐标，然后进行公共点转换，求出相机坐标系到工装坐标系的转换关系，然后把相机的定向参数转换到工装坐标系下，由于工装坐标系与飞机坐标系关系已知，这样就把相机坐标系下的测量点统一到了飞机坐标系下；

具体公共点转换过程如下：

(1)相机坐标系与工装坐标系的关系可用下式表示：

其中(dx,dy,dz)分别表示(U,V,W)三个坐标轴方向的平移量，表示三个坐标轴的旋转量；式(1)中共六个未知数一个公共点可列出三个方程，式(1)为三个方程，则至少两个公共点即可完成公共点转换；工装上共有五个摄影标志，利用最小二乘原理求解出六个未知数；

(2)工装坐标系与飞机坐标系的转换关系如下式：

$\left[\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{X}^{\′}\\ Y^{\′}\\ Z^{\′}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}X\\ \mathrm{\Δ}Y\\ \mathrm{\Δ}Z\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中(ΔX,ΔY,ΔZ)为已知量，分别表示(X',Y',Z')在三个轴方向上的平移量；

(3)结合式(1)与式(2)可以得到，从相机坐标系到飞机坐标系的转换公式如下：

五、进行静力试验

开始对待试验的飞机部位加载静荷载，同时通过计算机控制相机进行拍照，采集到的相片通过步骤四所述的方法进行坐标转换，得到测量点在飞机坐标系下的坐标，即得到测量部位的位移量。